JP2014025365A - 燃料噴射弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の目的は、旋回流の周方向における均一性を高めた燃料噴射弁を提供することにある。
【解決手段】摺動可能に設けられた弁体3と、閉弁時に弁体3が座る弁座面10が形成されるとともに、下流側に開口部を有するノズル体2と、ノズル体2の開口部と連通し、下流側に設けられた旋回用通路21と、旋回用通路21よりも下流側に形成され、円筒状の内側面を有し、内部で燃料を旋回させて旋回力を付与する旋回室22と、旋回室22の底部に円筒状に形成され外部に燃料を噴射する燃料噴射孔23と、を備えた燃料噴射弁において、旋回室22はらせん曲線より成る内壁面を有し、らせん曲線の基準円28の中心と燃料噴射孔23の中心とが一致するように、旋回室22と燃料噴射孔23とが形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
【選択図】 図4

Description

本発明は、内燃機関で使用される燃料噴射弁に係り、旋回燃料を噴射して微粒化性能を向上させ得る燃料噴射弁に関する。
複数個の燃料噴射孔から噴射される燃料の微粒化を、旋回流れを利用して促進する従来技術として、特許文献1に記載された燃料噴射弁が知られている。
この燃料噴射弁では、弁体と協働する弁座の下流端が前端面に開口する弁座部材と、この弁座部材の前端面に接合されるインジェクタプレートとの間に、前記弁座の下流端に連通する横方向通路と、この横方向通路の下流端が接線方向に開口するスワール室とを形成し、このスワール室でスワールを付与された燃料を噴射させる燃料噴射孔を前記インジェクタプレートに穿設し、前記燃料噴射孔を前記スワール室の中心から前記横方向通路の上流端側に所定距離オフセットして配置する。
また、この燃料噴射弁では、前記スワール室の内周面の曲率半径を、スワール室の内周面に沿う方向の上流側から下流側に向かって減少させている。すなわち、曲率をスワール室の内周面に沿う方向の上流側から下流側に向かって増加させている。また、スワール室の内周面を、スワール室に基礎円を持つインボリュート曲線に沿って形成している。
この様な構成により、各々の燃料噴射孔からの燃料の微粒化を効果的に促進させることができる。
特開2003−336562号公報
特許文献1に記載された従来技術では、横方向通路を構成する一方の側壁(燃料の旋回方向においてスワール室内周壁の上流側端部に接続される側壁)はスワール室の内周壁に対して接線を成すように接続され、他方の側壁(燃料の旋回方向においてスワール室内周壁の下流側端部に接続される側壁)はスワール室の内周壁に対して交わるように設けられている。
このため、他方の側壁とスワール室内周壁とが交わる両壁の接続部がナイフエッジのように先が尖ったシャープな形状になっている。加えて、燃料噴射孔をこのナイフエッジ側に近接するようにオフセットしている。
このような接続部では、横方向通路の側壁或いはスワール室内周壁に微小な位置ずれが生じただけで、両壁の接続部の位置ずれが生じやすい。そして、この接続部の位置ずれが要因となって燃料噴射孔側への急峻な偏流が生じ、旋回流の対称性(均一性)が損なわれる可能性がある。
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、旋回流の周方向における均一性を高めた燃料噴射弁を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の燃料噴射弁は、摺動可能に設けられた弁体と、閉弁時に前記弁体が座る弁座面が形成されるとともに、下流側に開口部を有するノズル体と、前記ノズル体の前記開口部と連通し、下流側に設けられた旋回用通路と、前記旋回用通路よりも下流側に形成され、円筒状の内側面を有し、内部で燃料を旋回させて旋回力を付与する旋回室と、前記旋回室の底部に円筒状に形成され外部に燃料を噴射する燃料噴射孔と、を備えた燃料噴射弁において、前記旋回室はらせん曲線より成る内壁面を有し、該らせん曲線の基準円の中心と前記燃料噴射孔の中心とが一致するように、前記旋回室と前記燃料噴射孔とが形成されている。
本発明によると、らせん曲線より成る旋回室の内壁面に誘導された燃料が、らせん曲線を描くための基準円の中心(渦中心)に向かう。したがって、燃料噴射孔部では均一な旋回流れが形成される。
本発明に係る燃料噴射弁の全体構成を弁軸心に沿う断面で示した縦断面図である。 本発明に係る燃料噴射弁におけるノズル体の近傍を示す縦断面図である。 本発明に係る燃料噴射弁におけるノズル体の下端部に位置するオリフィスプレートの平面図である。 本発明に係る燃料噴射弁における旋回室と旋回用通路と燃料噴射孔との関係を示す平面図である。 本発明に係る燃料噴射弁における、らせん曲線より成る旋回室の形成方法を説明するための図である。 本発明に係る燃料噴射弁における、中央室が無いオリフィスプレートの平面図である。 本発明に係る燃料噴射弁における、旋回用通路が互いに接続されていないオリフィスプレートの平面図である。 本発明に係る燃料噴射弁における、燃料噴射孔内での燃料流れの平面図、及び燃料噴射孔出た後の弁軸心に直行する燃料噴霧の断面図である。
本発明の一実施例について、図1乃至図5を用いて以下説明する。図1は、本発明に係る燃料噴射弁1の全体構成を示した縦断面図である。
図1において、燃料噴射弁1は、ステンレス製の薄肉パイプ13にノズル体2、弁体6を収容し、この弁体6を外側に配置した電磁コイル11で往復動作(開閉動作)させる構造である。以下、構造の詳細について説明する。
電磁コイル11を取り囲む磁性体のヨーク10と、電磁コイル11の中心に位置し、一端がヨーク10と磁気的に接触したコア7と、所定量リフトする弁体6と、この弁体6に接する弁座面3と、弁体6と弁座面3の隙間を通って流れる燃料の通過を許す燃料噴射室4、および燃料噴射室4の下流に複数個の燃料噴射孔23a,23b,23c(図2乃至図4参照)を有するオリフィスプレート20を備えている。
また、コア7の中心には、弁体6を弁座面3に押圧する弾性部材としてのスプリング8が備えてある。このスプリング8の弾性力はスプリングアジャスタ9の弁座面3方向への押し込み量によって調整される。
コイル11に通電されていない状態では、弁体6と弁座面3とが密着している。この状態では燃料通路が閉じられているため、燃料は燃料噴射弁1内部に留まり、複数個設けられている各々燃料噴射孔23a,23b,23cからの燃料噴射は行われない。
一方、コイル11への通電があると、電磁力によって弁体6が対面するコア7の下端面に接触するまで移動する。
この開弁状態では弁体6と弁座面3の間に隙間ができるため、燃料通路が開かれて各々燃料噴射孔23a,23b,23cから燃料が噴射される。
なお、燃料噴射弁1には入口部にフィルター14を有する燃料通路12が設けられており、この燃料通路12はコア7の中央部を貫通する貫通孔部分を含み、図示しない燃料ポンプにより加圧された燃料を燃料噴射弁1の内部を通して各々燃料噴射孔23a,23b,23cへと導く通路である。また、燃料噴射弁1の外側部分は樹脂モールド15によって被覆され電気絶縁されている。
燃料噴射弁1の動作は、上述したように、コイル11への通電(噴射パルス)に伴って、弁体6の位置を開弁状態と閉弁状態に切り替えることで、燃料の供給量を制御している。
燃料供給量の制御にあたっては、特に、閉弁状態では燃料漏れがない弁体設計が施されている。
この種の燃料噴射弁では、弁体6に真円度が高く鏡面仕上げが施されているボール(JIS規格品の玉軸受用鋼球)を用いておりシート性の向上に有益である。
一方、ボールが密着する弁座面3の弁座角は、研磨性が良好で真円度を高精度にできる最適な角度80度から100度であり、上述したボールとのシート性を極めて高く維持できるものである。
なお、弁座面3を有するノズル体2は、焼入れによって硬度が高められており、また、脱磁処理により無用な磁気が除去されている。
このような弁体6の構成により、燃料漏れの無い噴射量制御を可能としている。以って、コストパホーマンスに優れた弁体構造としている。
図2は、本発明に係る燃料噴射弁1におけるノズル体2の近傍を示す縦断面図である。図2に示すように、オリフィスプレート20はその上面20aがノズル体2の下面2aに接触しており、この接触部分の外周をレーザ溶接してノズル体2に固定されている。
尚、本明細書及び特許請求の範囲において上下方向は図1を基準としており、燃料噴射弁1の弁軸心(図2のX)方向において燃料通路12側を上側、各々燃料噴射孔23a,23b,23c側を下側とする。
燃料の流れについては、図3のA矢印に示す。
本明細書において、上流、下流とは、燃料の流れ方向に対して上流あるいは下流という意味である。
ノズル体2の下端部には、弁座面3のシート部3aの径φSより小径の燃料導入孔5が設けられている。弁座面3は円錐形状をしており、その下流端中央部に燃料導入孔5が形成されている。
弁座面3の中心線と燃料導入孔5の中心線とは弁軸心に一致するように、弁座面3と燃料導入孔5とが形成されている。燃料導入孔5によって、ノズル体2の下端面2aにオリフィスプレート20の中央穴(中央孔)24に連通する開口が形成される。
次に、オリフィスプレート20の構成について、図3を用いて説明する。図3は、本発明に係る燃料噴射弁1におけるノズル体2の下端部に位置するオリフィスプレート20の平面図である。
中央室24はオリフィスプレート20の上面20aに設けられた凹形状部であり、この中央室24には、その周方向に等間隔(120度の間隔)に配置され、径方向外周側に向けて放射状に延びる3個の旋回用通路21a,21b,21cが接続されている。
旋回用通路21aの下流端は旋回室22aに連通するよう接続され、旋回用通路21bの下流端は旋回室22bに連通するよう接続され、旋回用通路21cの下流端は旋回室22cに連通するよう接続されている。
旋回用通路21a,21b,21cは旋回室22a,22b,22cにそれぞれ燃料を供給する燃料通路であり、この意味において旋回用通路21a,21b,21cを旋回燃料供給通路21a,21b,21cと呼んでもよい。
旋回室22a,22b,22cの壁面は、上流側から下流側に向かって曲率が次第に大きくなるように(曲率半径が次第に小さくなるように)形成されている。
このとき、曲率は連続的に大きくしてもよいし、所定の範囲で曲率が一定になるようにしながら上流側から下流側に向かって段階的に次第に大きくなるようにしてもよい。
上流側から下流側に向かって曲率が連続的に大きくなる曲線の代表例として、インボリュート曲線(形状)又はらせん曲線(形状)がある。本実施例では、らせん曲線について説明しているが、上流側から下流側に向かって曲率が次第に大きくなるとして上記のような曲線を採用しても同様に説明することができる。
また、旋回室22a,22b,22cの中心には燃料噴射孔23a,23b,23cがそれぞれ開口している。
ノズル体2とオリフィスプレート20とは、図示していないが、治具等を用いて両者の位置決めが簡単且つ容易に実施されように構成されており、組み合わせ時の寸法精度が高められている。
また、オリフィスプレート20は量産性に有利なプレス成形(塑性加工)により製作される。なお、この方法以外に、放電加工や電鋳法、エッチング加工など比較的応力の加わらない加工精度の高い方法が考えられる。
次に、図4,図5を用いて、旋回室22aの形成方法と燃料噴射孔23aとの関係について詳細に説明する。
図4は、旋回用通路21aと旋回室22aと燃料噴射孔23aとの関係を示す拡大平面図である。図5は、らせん曲線より成る旋回室22aと旋回用通路21a及び燃料噴射孔23aの形成方法を説明するための図である。
1つの旋回用通路21aは旋回室22aの接線方向に連通開口しており、旋回室22aの渦中心部O(詳細は後述する)に燃料噴射孔23aが開口している。
本実施例では、旋回室22aの内周壁は弁軸心線に垂直な平面(断面)上でらせん曲線を描くように形成されている。
ここに、らせん曲線より形成される旋回室22aの内壁面の描き方について、図5を用いて説明する。通常、らせん曲線を描く場合は、起点(図5の記号Seoに相当する)から徐々にらせん半径Rが大きくなることで展開描写される。
本実施例のように、燃料を旋回させる燃料通路の内周壁としてらせん曲線を用いる場合は、燃料の導入流路の位置から設計するために、便宜上、始端(始点)と終端(終点)を入れ替える。ここに、燃料の導入通路は通路幅Wを有する旋回用通路21aである。また、旋回室の大きさの基準となる円、すなわち、仮想線で表される基準円28が示され、この基準円28はその中心が前述したらせん曲線の起点Seoと一致している。
以下、らせん曲線より成る壁面の作成手順を記述する。
まず、旋回用通路21aの通路面積da(幅Wと高さH)と、燃料噴射孔23aの直径d0及び旋回室の大きさの基準である基準円28の直径φDを抽出する。この抽出に関しては、あらかじめ実験的に求めておいた諸データの中から要求仕様に近い値を選択する。すなわち、燃料噴射弁に要求される流量や噴霧角に応じて選択される。
次に、基準円28に外接する旋回用通路21aの一方の側壁21asを描く。基準円28のY軸との交点Ssaは旋回室22aの壁面の始端(始点)となる。
続いて、旋回用通路21aの他方の側壁21aeを描く。ここに、線分21aeeは旋回室22aの壁面としては最終的には省略されるので、便宜上、破線として描いている。このとき、旋回用通路21aは幅Wとして形成され、旋回用通路21aの高さHは通路面積daより決定される。
次に、旋回室22aの壁面の経過点Sea及びY軸との交点Sey(終端、終点)を定義する。まず、加工上必要な厚み部位φKに相当する線分21aekを他方の側壁21aeからφKの間隔を以って平行に描く。
そして、らせん曲線がこの外形線から下にはみ出してしまうので、厚み部位φKの位置でらせん曲線が下にはみ出さない点を経過点Seaと定義する。
この経過点Seaは基準円28のY軸となす角度α(17.5度)で示され、この点を通過するらせん線分と基準円28のY軸との交点Sey(終端、終点)を求める。この交点Seyとらせん壁面の始端(始点)Ssaとの間の距離を新たに旋回用通路の幅W*と定義する。
らせん曲線は、その曲線の半径Rが式(1)および式(2)で示される関係を満たすようにして描かれる。
R=D/2×(1−a×θ) (1)
a=W*/(D/2)/(2π) (2)
ここに、Dは基礎円の直径、W*は旋回用通路の幅であり、本発明では、このW*は厚みφK(図4乃至図5に示す)を含む数値である。
上記の式に基づいて、らせん(半径R)壁面の外形線を描く。
経過点SeaとY軸との交点Sey(終端、終点)の間のらせん壁面22abは最終的にはカットされる(壁面としては存在しない)ので、便宜上、破線で示している。また、終端(終点)Seyから、さらに180度展開した曲線のY軸との交点Seoまでのらせん壁面22acは、同様に、最終的にはカットされるので破線で示している。このことから、旋回室22aの壁面として存在する壁面の終端(終点)は事実上経過点Seaになる。
次に、らせん壁面の事実上の終端(終点)である経過点Seaに外接する円27の円弧を描く。この厚み部位φKの作用については後述する。
最後に、基準円28の中心に、すなわち、らせん曲線の中心Seo(起点)に、燃料噴射孔23aの中心を一致させて燃料噴射孔23aを描く。
上記のような構成において、燃料が旋回室22aの壁面に沿って流れるとすれば、旋回室22aの壁面の事実上の終端(終点)である経過点Seaから、破線で示される、らせん壁面22ab,22acを介して下流に位置するらせん曲線の起点に向かうことになる。
したがって、燃料はらせん壁面に沿って流れ、その流れの最終点(渦中心)はらせん曲線の中心(起点)に存在することになる。いわゆる、基準円28の中心に存在することになる。
燃料噴射孔23aの中心は基準円28の中心に存在するので、らせん壁面に沿う流れの渦中心と一致するように構成されていることになる。
なお、旋回室22aがインボリュート曲線の場合、インボリュート曲線の基礎円の中心と燃料噴射孔23aの中心とが一致するように構成するとよい。
再度、図4を用いて、らせん壁面を有する旋回室22aの形状とその作用について詳述する。
旋回室22aの内周壁面はSsaを始端(上流端)、Seaを終端(下流端)としている。始端(始点)Ssaには旋回用通路21aの一方の側壁21asが始点Ssから接線方向に接続されている。終端(終点)Seaには終点Seaでらせん曲線に接するように形成された円形状部26aが設けられている。
円形状部26aは、旋回用通路21a及び旋回室22aの高さ方向(旋回の中心軸に沿う方向)全体にわたって形成されているので、周方向において所定の角度範囲で構成される部分的な円柱形状部を構成する。旋回用通路21aの他方の側壁21aeは円形状部26aによって構成される円柱面に接するように形成されている。
円形状部26aによって構成される円柱面は旋回用通路21aの側壁21aeの下流端と旋回室22aの内周壁の終端Seaとを接続する接続面(中間の面)を構成している。
また、このような接続面26aを設けることにより、旋回室22aと旋回用通路21aとの接続部に厚み形成部25aを設けることができ、旋回室22aと旋回用通路21aとを所定の厚みφKを有する壁面を隔てて連結することができる。すなわち、旋回室22aと旋回用通路21aとの接続部に、ナイフエッジのように先が尖ったシャープな形状が形成されない。
この厚み形成部25aは図5に示す点Seaを起点とした壁面であり、点Seaで旋回室22aのらせん曲線に外接する任意の直径円をなす壁面26aとして形成される。
旋回用通路21aの側壁(高さ方向に沿う壁面)21aeの延長線が旋回室22aの内周壁が描くらせん曲線の延長線と、らせん曲線の始点Ssaから180度以上回転(旋回)した角度範囲で交わらないようにしている。これにより、側壁21aeと旋回室22aの内周壁が描くらせん曲線との間に実質的な厚みを形成することができる。
この厚み形成部25aが存在することにより、従来のようなシャープな形状とならないので、この部位の微小な位置ずれが生じたとしても、燃料噴射孔23as側への急峻な偏流が無く、旋回流の対称性(均一性)が確保される。
本実施形態においては、燃料噴射孔23a,23b,23cの開口方向(燃料の流出方向、中心軸線方向)は、燃料噴射弁1の弁軸心と平行で下方に向かうようになっているが、弁軸心に対して所望の方向に傾斜させて噴霧を拡散(各々の噴霧を遠ざけて干渉を抑制する)させる構成としても良い。
旋回用通路21aの流れ方向に垂直な断面形状は矩形(長方形)であり、プレス成形に有利な寸法に設計されている。特に、旋回用通路21aの幅Wに比べて高さHSを小さくすることで加工性を有利にしている。
旋回用通路21aに流入する燃料はこの矩形部が絞り(最小断面積)となっているため、弁座面3のシート部3aから燃料噴射室4、燃料導入孔5、オリフィスプレート20の中央室24を経てこの旋回用通路21aに至るまでの圧力損失は無視できるように設計されている。
特に、燃料導入孔5およびオリフィスプレート20の中央室24は急激な曲がり圧損が生じないよう、所望大きさの燃料通路となるように設計している。
従って、燃料の圧力エネルギーがこの旋回用通路21a部分で効率的に旋回速度エネルギー変換されるようになっている。
また、この矩形部で加速された流れは十分な旋回強さ、いわゆる旋回速度エネルギーを維持しつつ、下流の燃料噴射孔23aに導かれる。
旋回用通路21bと旋回室22bと燃料噴射孔23bとの関係、旋回用通路21cと旋回室22cと燃料噴射孔23cとの関係も、上述した旋回用通路21aと旋回室22aと燃料噴射孔23aとの関係と同じであるので、説明を省略する。
なお、本実施例では旋回用通路21、旋回室22及び燃料噴射孔23を組み合わせた燃料通路を3組設けているが、さらに増加させることにより、噴霧の形状や噴射量のバリエーションの自由度を高めてもよい。また、旋回用通路21、旋回室22及び燃料噴射孔23を組み合わせた燃料通路を2組にしてもよいし、1組にしてもよい。
また、図6に示すように中央室24は、無くて旋回用通路21が夫々接続されていても良い。この場合、中央室が無いため燃料のデッドボリュームを低減することができる。
更に図7に示すようにそれぞれの旋回用通路は、互いに接続されていなくても良い。この場合、中央室が無く、かつ旋回用通路が短いため更に燃料のデッドボリュームを低減することができる。
円形状部26は旋回用通路21及び旋回室22の高さ方向(旋回の中心軸に沿う方向)全体にわたって形成されているので、周方向において所定の角度範囲で構成される部分的な円柱形状部を構成している。
上記構成はらせん曲線について記載しているが、らせん曲線をインボリュート曲線に変えれば、インボリュート曲線にも適用可能である。
この厚みφKによって、旋回室22を周回した燃料と旋回用通路21より流入した燃料の衝突が緩和され、旋回室22においてはらせん壁面に沿うスムースな流れが形成される。
上記実施例では、以下のような構成及び作用効果も合わせ持っている。
燃料噴射孔23の直径は十分大きい。直径を大きくすると、内部に形成される空洞を十分大きくすることができる。いわゆる、ここでの旋回速度エネルギーを損失することなく噴射燃料の薄膜化に作用させることができる。
また、燃料噴射孔23の板厚(この場合旋回室の高さと同じ)に対する噴射孔直径の比を小さくしているので、旋回速度エネルギーの損失も極めて小さい。ゆえに、燃料の微粒化特性が極めて優れることになる。
さらに、燃料噴射孔23の板厚に対する噴射孔直径の比が小さいのでプレス加工性が向上している。
この様な構成ではコスト低減効果は勿論であるが、加工性の向上によって寸法バラツキが抑えられるので、噴霧形状や噴射量のロバスト性が格段に向上する。
以上説明したように、本発明の実施形態にかかる燃料噴射弁は、らせん曲線より成る旋回室の内壁面に誘導された燃料流れが、らせん曲線を描くための基準円の中心(渦中心)に向かうようになる。そして、この渦中心に燃料噴射孔の中心を一致させているので、図8bに示すように燃料噴射孔内での燃料流れSはこの中心を軸として、従来の図8aに比べて対称な流れを多く形成することになる。対称流れは、図8dに示すように噴霧形状の対称性が向上し、燃料の薄膜化を促進することになる。
このように均一に薄膜化した燃料噴霧は、周囲空気とのエネルギー交換が活発に行われるので、噴射直後に分裂が促進されて微粒化の良い噴霧となる。
1 燃料噴射弁
2 ノズル体
3 弁座面
5 燃料導入孔
6 弁体
20 オリフィスプレート
21a,21b,21c 旋回用通路
22a,22b,22c 旋回室
23a,23b,23c 燃料噴射孔
24 中央室
25a,25b,25c 厚み形成部
28 基準円

Claims (4)

  1. 摺動可能に設けられた弁体と、閉弁時に前記弁体が座る弁座面が形成されるとともに、下流側に開口部を有するノズル体と、前記ノズル体の前記開口部と連通し、下流側に設けられた旋回用通路と、前記旋回用通路よりも下流側に形成され、円筒状の内側面を有し、内部で燃料を旋回させて旋回力を付与する旋回室と、前記旋回室の底部に円筒状に形成され外部に燃料を噴射する燃料噴射孔と、を備えた燃料噴射弁において、
    前記旋回室はらせん曲線より成る内壁面を有し、該らせん曲線の基準円の中心と前記燃料噴射孔の中心とが一致するように、前記旋回室と前記燃料噴射孔とが形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
  2. 請求項1に記載の燃料噴射弁において、
    前記旋回室と前記旋回用通路の壁により形成される円形状部を有することを特徴とする燃料噴射弁。
  3. 請求項1に記載の燃料噴射弁において、
    前記旋回室のらせん曲線は、前記旋回室より大きい基準円と前記旋回室に燃料を導入する旋回用通路の幅とを用いて描かれることを特徴とする燃料噴射弁。
  4. 請求項1−3に記載の燃料噴射弁において、
    前記旋回用通路は前記燃料噴射孔に対応して夫々独立していることを特徴とする燃料噴射弁。
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